《美日科学家揭秘麦瘟菌进化机制促进抗病小麦育种》

  • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
  • 编译者: 李楠
  • 发布时间:2017-11-28
  • 麦瘟菌是一种可以感染麦穗的真菌,通过阻碍种子生长可使作物损失达到100%。由于麦瘟菌本身存在抗药性,杀真菌剂的效用十分有限,而目前普通的栽培小麦对于麦瘟病无抵抗能力。麦瘟病最初在20世纪80年代在巴西被发现,之后便迅速扩散到周边国家,包括阿根廷、巴拉圭和玻利维亚,近些年该疾病才被控制在南美范围内。历史上,美国肯塔基州甚至整个北美地区的栽培小麦均未受到过麦瘟菌的影响。然而,2011年,在美国肯塔基州普林斯顿英国研究教育中心(UK Research and Education Center),研究人员在一次实验研究中发现了一株患病的麦穗,并将其鉴定为麦瘟病。自2016年起,麦瘟病席卷孟加拉国,2017年该疾病再次侵袭孟加拉的同时还出现在印度。

    麦瘟病在全球范围内的频繁爆发,促使全球植物病理学研究机构关注这种植物病毒,同时加速培育抵御该病菌小麦的进程。日前,由日本神户大学、日本岩手生物技术研究中心、美国肯塔基大学植物病理学系等多个机构联合开展研究,表明2011年采集的肯塔基病原体与南美洲麦瘟菌的基因不同,与在美国黑麦草和牛尾草中发现的菌株有相关性。因此推测,2011年在肯塔基州发现的病菌不是外国引进的病原体引起的,很可能是从牧草“跳跃”传播到小麦引起的。并且,肯塔基麦瘟病菌株经历了关键基因的突变,该基因能编码麦瘟病抗性蛋白,即这种突变会损害“好”蛋白质的功能,从而让真菌以规避识别的方式躲避小麦抗性反应。此外,研究发现2016年孟加拉国爆发的麦瘟病很可能是由来自南美洲的一种真菌菌株引起的。研究团队揭示了南美洲菌种的致病机理。目前,该研究结果发表于近日出版的《科学》(Science)杂志。

    该研究对引起新作物病变的基因变异进行了重要思考,这一研究成果将会推动抗病性更强更持久的作物品种育种进程。

    (编译 李楠)

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    • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
    • 编译者:李楠
    • 发布时间:2017-11-28
    • 小麦是世界超过一半人口的主粮,在印度也是保障粮食安全的重要作物。目前,小麦主要受到3种锈病的影响,包括条锈病、叶锈病、秆锈病,其中叶锈病的发生最为频繁,相比其他两种小麦锈病,叶锈病造成的经济损失更大。遭受严重病虫害时,如果不喷施农药,叶锈菌会导致作物产量损失超过50%。受小麦锈病的影响,印度小麦生产在1970年到1980年间出现了严重问题。之后,因培育出了抗锈品种,麦锈病得到了有效控制,但印度大多数抗锈品种具有小种专化抗性。此外,小麦叶锈菌自身还在不断衍生出新的种类和生物类型。因此,对于印度的小麦育种科学家和决策部门来说,小麦锈病防治仍然是农业领域的重要问题。 为了探究锈菌变异的分子机制,印度农业研究委员会国家植物生物技术研究中心(ICAR-NRCPB)主任T·R·沙玛博士(T. R. Sharma,新德里)联合印度农业研究委员会附属的3家机构以及两所国家农业大学,组织开展叶锈菌全新基因组测序项目。该项目的主要任务是解析相对稳定的小麦锈病菌(Puccinia triticina)Race 106和变异性很强的Race77及其13个生物类型所组成的基因组。小麦锈病菌Race 106于1930年首次发现后一直保存于印度西姆拉,在过去的85年来未发生变异;而Race77于1954年发现于印度比哈尔,之后变异为13种类型。 最终,T·R·沙玛博士带领的科研团队应用454 GSFLX platform解析了小麦叶锈病菌的15种基因组(共计约1500 Mb数据量)。其中Race 77序列为3.41Gb(测序深度33 X ),包括27678个蛋白编码基因(1129 bp)。Race 106序列为2.91 Gb(测序深度27X),包含26384个蛋白编码基因(1086 bp)。Race77和Race106中的重复序列分别达37.49 %和39.99%。此外,在重复性片段(segmental duplication, SD)、重复序列和SNP/InDel方面,Race77与Race106均不同。其中Race 77基因组的某些区域对基因重组非常敏感,这使得Race 77变异性很强。该研究侧重于基因组结构、组织、变异和锈病菌致病性的分子机理等方面的研究,对推动印度小麦改良进程具有里程碑式的意义。该研究论文已发表在国际期刊《Genome Biology and Evolution》。 由ICAR-NRCPB主持完成的小麦锈病病菌基因组项目得到了印度生物技术部(Department of Biotechnology)的资助。参与项目的三个ICAR机构分别是:位于新德里的国家植物生物技术研究中心(National Research Centre on Plant Biotechnology)、位于西姆拉的印度小麦与大麦研究所(Indian Institute of Wheat and Barley Research)Flowerdale中心,以及印度农业研究所(Indian Agricultural Research Institute)。参与项目的两所国立大学分别是:位于哥印拜陀市的卢迪亚纳&泰米尔纳德农业大学以及旁遮普农业大学。 值得一提的是,在各种国际和国家层面的基因组测序项目的推动下,ICAR-NRCPB已经成功解析了水稻、番茄、木豆、小麦和芒果等作物的完整基因组序列,这些研究成果为作物育种学家深入开展作物改良研究奠定了基础。 (编译 李楠)
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    • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
    • 编译者:李楠
    • 发布时间:2017-11-28
    • 气候变化会使旱灾频发,威胁农作物的生长。保护农作物的一种潜在方法是通过对作物喷洒某种化合物,来提高作物的抗旱性。目前,伊利诺伊大学(University of Illinois)的研究者们发现了一种使作物减少水分流失的关键分子机理 ,该发现为科学家找到合适的作物抗旱化合物奠定了基础。 面对干旱的气候条件,植物的自然抵御力会增强。它们会产生植物激素——脱落酸(ABA)附着在一种称之为PYL受体的蛋白质上,从而引发一系列反应,最终促使植物叶片上的气孔关闭。伊利诺伊大学(University of Illinois)的研究人员萨拉·沙卡拉(Saurabh Shukla)解释称:“这样一来,植物便可以减少甚至是完全不流失任何水分,从而可以保持水分,延长寿命。”其中最为关键的就是植物激素ABA,但由于ABA稳定性较弱且分子结构比较复杂,所以不能直接喷洒在农田里。不过,沙卡拉指出,“如果我们能够了解这种植物激素的工作机理,就可以设计出一些具备相同机理的分子为我们服务。”科学家如果能找到一种既具备相同机理,又廉价、稳定且环保的激素,那么农民就可以利用它提高农作物的抗旱性。 但是要弄清楚ABA的具体工作机理并非易事。诸如X射线衍射等实验室技术虽然能够记录下ABA附着到PYL受体前后的状态,但却无法捕捉到附着前后的瞬间。因此,沙卡拉和同事们通过使用分子动态模拟器,观察到了ABA是如何落在PYL受体的具体细节。模拟器一帧一帧地显示了ABA是在何处、以何种方式与蛋白质结合,使其改变形状,从而使序列当中的下一个蛋白质被激活,最终促使植物叶片上的气孔关闭的全过程。最后几帧中ABA落到受体上,这与X射线衍射技术所预测的晶体结构完全一致,再次验证了模拟器的准确性。2017年2月11日至15日,在新奥尔良举办的第61届生物物理学学会会议上(the 61st Meeting of the Biophysical Society),该项目的研究团队展示了这项成果。 研究者称他们只模拟了两种特定类型的PYL受体,均是在拟南芥(A. thaliana)中发现的。沙卡拉称,由于绝大多数物种的PYL受体的结构都比较相似,因此他们的研究成果具有广泛的适用性。对于已知晶体结构的PYL受体,它们同ABA结合的蛋白质部分相同,结合处周围的结构也相似,这样的相似性意味绝大多数植物中都有相同的结合机制。 沙卡拉指出,研究者们会继续在其他植物当中验证这种机制,例如,水稻的PYL受体结构是已知的,因此可以去探索水稻中类似ABA的激素。研究者需要进行严密的计算和基因研究来识别这种化合物,他们的目标是不需要依靠基因工程便可以找到一种适用于所有物种的化合物。但是要让这种化合物产品出现在市场上,至少还需要10年的时间。 (编译 李楠)